JPH07179988A - 高温強度の優れた熱間工具鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 重量比にしてC:0.30〜0.50% 、Si:0.10 〜1.
50% 、Mn:0.10 〜1.00%、Ni:0.1〜1.5%、Cr:2.0〜4.0
%、Mo:2.0〜4.0%、V:0.1 〜1.0%、W:0.1 〜1.0%と、必
要に応じてCa:0.001〜0.010%を含有し、残部がFe及び不
純物元素からなる鋼を1060〜1100℃で焼入後、 500〜62
0 ℃にて焼もどしを施すことを特徴とする高温強度の優
れた熱間工具鋼。 【効果】 靱性を劣化することなく優れた高温強度を得
ることができるので、金型として使用した際、大幅な寿
命向上が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、従来鋼に比べ優れた高
温強度を有しつつ同等以上の靱性の得ることのできる高
温強度の優れた熱間工具鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、SKD61 、SKD62 、SKD7等のW を添
加しないか、添加しても少量しか添加しないJIS で規定
された熱間工具鋼はSKT3、SKT4を除き1000〜1050℃の温
度にて焼入が行われている。これは、W を多量に添加す
るSKD4、SKD5、SKD8の場合、W系の介在物を固溶するた
めに、1100℃を越える温度で焼入を行っているが、その
他の鋼種では、焼入温度を上げると結晶粒が粗大化し、
焼もどし時に析出する粒界炭化物による影響が大きくな
って、靱性が低下し、金型として使用中の大割れを懸念
するために、焼入温度を1050℃以下に抑える必要があっ
たためである。

【０００３】焼入温度を1050℃以下に抑えることによ
り、必要な靱性が確保され、金型として使用中に負荷さ
れる繰返し衝撃荷重によっても割れの発生しにくい材料
を確保することができたのである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のように、焼入温
度を低くすると、マトリックス中の炭化物の固溶が不十
分となり、焼もどし時に得られる二次硬化の程度が小さ
くなって、強度向上効果が十分に得られなくなる。しか
し、従来鋼を使用して単に焼入温度を高くするだけで
は、高温強度を高めることはできるが、結晶粒が粗大化
し靱性が低下して、耐衝撃性が低下し、金型として使用
中に大割れの危険がある。従って、従来は必要な靱性が
確保できる焼入温度の上限である1050℃を越える温度で
は焼入が行われていないのが通常であった。

【０００５】本発明は、従来より高い温度で焼入を行っ
ても従来鋼と同等以上の靱性が得られ、かつ優れた高温
強度を確保することのできる高温強度の優れた熱間工具
鋼を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は従来鋼の靱性
低下が粒界脆化によって引き起こされていることに注目
し、粒界脆化の原因となる粒界への炭化物析出挙動と成
分との関係について詳しく調査した。その結果、以下の
知見を得ることができた。

【０００７】Cr炭化物は比較的低温の焼もどし温度か
ら粒界に析出するが、Cr添加量を4%以下に抑えた場合に
は、600 ℃程度の焼もどし温度であれば粒界への析出量
は、靱性に大きな影響を与える程多くない。 Cr添加量を4%以下に抑えた場合でも、焼もどし温度が
620 ℃を越えると、炭化物の粒界への析出量が多くなっ
て靱性の低下が顕著になる。 Mo、W 等は比較的高温でないと炭化物が粒界に析出し
ないので、MoをSKD61 、SKD62 に比べ増量し、W は添加
するが、W 系炭化物の固溶温度は高いので、少量の添加
に抑えた方が靱性の点で良い。 焼入温度を1060〜1100℃に高めることにより、炭化物
の固溶が進むため、マトリックスの靱性が向上する。ま
た、Niを少量添加することにより、マトリックスの靱性
がさらに向上する。 焼入温度を1060〜1100℃に高めることにより、結晶粒
は若干粗大化するが、粒界炭化物による靱性低下を小さ
く抑えるために前記〜の知見に基づき対策を行うこ
とにより、影響は小さく抑えることができる。 Cr量を従来のSKD61 、SKD62 に比べ低減し、Moを増量
し、V 、W を複合添加した場合には、SKD61 、SKD62 に
比べ高い温度にて炭化物が析出し二次硬化が得られるの
で、高温での使用時に優れた性能が得られる。

【０００８】すなわち、本発明の第１発明は、重量比に
してC:0.30〜0.50% 、Si:0.10 〜1.50% 、Mn:0.10 〜1.
00% 、Ni:0.1〜1.5%、Cr:2.0〜4.0%、Mo:2.0〜4.0%、V:
0.1〜1.0%、W:0.1 〜1.0%を含有し、残部がFe及び不純
物元素からなる鋼を1060〜1100℃で焼入後、 500〜620
℃にて焼もどしを施すことを特徴とする高温強度の優れ
た熱間工具鋼であり、第２発明は第１発明に比べ靱性、
被削性を向上させるため、Caを0.001 〜0.010%をさらに
含有させたものである。

【０００９】次に、本発明における高温強度の優れた熱
間工具鋼の成分組成限定理由、熱処理条件限定理由につ
いて以下に説明する。 C:0.30〜0.50% C は炭化物形成元素と結合し、熱間工具鋼として必要な
硬度、耐摩耗性を得るため0.30% 以上の含有が必要であ
る。しかし、多量に含有させると靱性が低下するので上
限を0.50% とした。

【００１０】Si:0.10 〜1.00% Siは製鋼時の脱酸のために必要であり、かつ高温強度、
耐ヒートチェック性を高める効果のある元素である。従
って、最低でも0.10% の含有が必要である。しかし、多
量に含有させると、靱性が低下し、かつ金型への加工性
も悪くなるため、上限を1.00% とした。

【００１１】Mn:0.10 〜1.00% Mnは、製鋼時に脱酸、脱硫効果を有し、かつ焼入性向上
のために必要な元素であり、0.10% 以上の含有が必要で
ある。しかし、多量に含有させるとSiと同様に靱性と加
工性が低下するため、上限を1.00% とした。

【００１２】Ni:0.10 〜1.50% Niはマトリックスの靱性を向上するとともに、焼入性向
上にも効果のある元素であり、0.10% 以上の含有が必要
である。しかし、多量に含有させると、被削性が低下し
て金型の製造が難しくなるので、上限を1.50% とした。

【００１３】Cr:2.00 〜4.00% CrはC と結合して炭化物を形成し、耐摩耗性向上に効果
があるとともに、焼入性向上にも寄与する元素であり、
2.00% 以上の含有が必要である。しかし、多量に含有さ
せると粒界炭化物の析出量が増加し、靱性が大幅に低下
するため、上限を4.00% とした。

【００１４】Mo:2.0〜4.0%、V:0.1 〜1.0%、W:0.1 〜1.
0% Mo、V 、W はC と結合して炭化物を形成し、焼もどし時
の二次硬化によって高温強度を向上させるとともに、必
要な耐摩耗性を確保するために不可欠な元素である。従
って、最低でもMoは2.0%、V は0.1%、W は0.1%を複合添
加する必要がある。しかし、多量に含有させると過度に
生成した炭化物が粒界に析出して、靱性が低下するの
で、上限をMoは4.0%、V は1.0%、W は1.0%とした。ま
た、W 系炭化物は固溶温度が高いため、焼入時に炭化物
を十分に固溶するためにも、上限を1.0%以下に規制する
ことが必要である。

【００１５】Ca:0.001〜0.010% Caは介在物の形態を球状化し、靱性および被削性向上の
ために効果のある元素で、0.001%以上含有させることが
必要である。しかし、多量に含有させても前記効果が飽
和し、逆に靱性が低下するので、上限を0.010%とした。

【００１６】次に、熱処理条件の限定理由について説明
する。焼入温度の下限を1060℃としたのは、1060℃未満
の温度では高温強度向上効果が十分に得られず、従来の
JIS 鋼に比べ優れた強度が得られないためであり、1100
℃を越える温度で焼入を行った場合には、結晶粒が粗大
化し、前記した成分、焼もどし条件の適正化を図って
も、従来鋼と同等以上の靱性を確保することが困難にな
るためである。

【００１７】また、焼もどし温度の範囲を500 〜620 ℃
の範囲としたのは、500 ℃未満の温度では二次硬化によ
る強度向上効果が十分に得られず、かつ靱性も劣るため
であり、620 ℃を越えると粒界に析出する炭化物量が増
加して、靱性が低下するためである。

【００１８】

【作用】本発明の熱間工具鋼は、Niの添加と高い焼入温
度によってマトリックスの靱性を高め、かつ焼もどし温
度の上限を低めに規制し、Cr量を低減して粒界炭化物の
析出を抑制しているので、焼入温度を高めても靱性が低
下することなく、従来鋼に比べ優れた高温強度を得るこ
とができる。

【００１９】

【実施例】以下に本発明の特徴を比較鋼および従来鋼と
比較し、実施例でもって明らかにする。表１は、実施例
に用いた供試材の化学成分を示すものである。

【００２０】

【表１】

【００２１】表１において、１〜８鋼は本発明鋼であ
り、１〜４鋼は第１発明鋼、５〜８鋼は第２発明鋼であ
る。また、９〜15鋼は比較鋼であり、16〜18鋼はそれぞ
れ従来鋼であるSKD61 、SKD7、SKD62 である 。

【００２２】表１に示す成分を有する供試材を20kg高周
波溶解炉にて溶解し、直径15mmの丸棒に鍛伸後、試験片
加工した。そして硬さ、高温強度(700℃における引張強
さ)、衝撃値 (JIS3号Ｕノッチシャルピー試験）につい
て測定し、各供試材の性能を評価した。なお、熱処理条
件は焼入温度1080℃、焼もどし温度600 ℃にて行い、従
来鋼である16〜18鋼については通常の焼入温度である10
30℃で行った場合（焼もどし温度 600℃）についても同
時に評価した。評価結果を表２に示す。

【００２３】

【表２】

【００２４】表２から明らかなように、比較鋼、従来鋼
である９〜18鋼を本発明の実施例と比較すると、９鋼は
C 含有率が高いため、靱性が劣るものであり、10鋼は逆
にC含有率が低いため硬さ、高温強度がともに劣るもの
である。11鋼はSi含有率が高いため、靱性が劣るもので
あり、12鋼はNi含有率が低いため、靱性が若干劣るもの
であり、13鋼はCr含有率が高いため、焼入温度を高めた
ことにより靱性が大きく低下したものであり、14、15鋼
はMo、V 、W の含有率が低いため、高温強度が劣るもの
である。

【００２５】また、従来鋼の場合には、焼入温度を高め
ると若干強度は上昇するが、靱性が大きく低下し、従来
の条件にて熱処理を施した場合は、高温強度が本発明に
比べ大きく劣るものである。

【００２６】これに対して、本発明鋼である１〜８鋼は
Niを添加してマトリックスの靱性向上を図るとともに、
Cr、Mo、W 量の適正化を図ることにより、焼入温度を高
めても靱性が劣ることがなく、優れた高温強度を得るこ
とができた。

【００２７】次に熱処理条件の変化による本発明の性能
への影響について別の実施例により明らかにする。表１
に示す供試材のうち、本発明鋼の１鋼と５鋼を用い、焼
入温度と焼もどし温度を変化させて性能への影響を調査
した。結果を表３に示す。

【００２８】

【表３】

【００２９】表３から明らかなように、本発明鋼である
１、５鋼を使用しても、所定の焼入温度、焼もどし温度
の範囲外で熱処理した場合には、高温強度、靱性につい
て共に優れた性能を得ることができないことがわかる。
従って、本発明の効果を十分に引き出すためには、規制
した範囲内の条件で熱処理を施す必要がある。

【００３０】

【発明の効果】本発明により、焼入温度を少し高めるだ
けで優れた高温強度が得られる鋼の提供が可能となる。
従って、金型として使用した際、大幅な寿命向上を図る
ことができ、金型交換の手間が少なくなり、生産性向上
に大きく寄与することができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比にしてC:0.30〜0.50% 、Si:0.10
   〜1.50% 、Mn:0.10〜1.00% 、Ni:0.1〜1.5%、Cr:2.0〜
   4.0%、Mo:2.0〜4.0%、V:0.1 〜1.0%、W:0.1〜1.0%を含
   有し、残部がFe及び不純物元素からなる鋼を1060〜1100
   ℃で焼入後、500〜620 ℃にて焼もどしを施したことを
   特徴とする高温強度の優れた熱間工具鋼。
2. 【請求項２】 重量比にしてC:0.30〜0.50% 、Si:0.10
   〜1.50% 、Mn:0.10〜1.00% 、Ni:0.1〜1.5%、Cr:2.0〜
   4.0%、Mo:2.0〜4.0%、V:0.1 〜1.0%、W:0.1〜1.0%と、C
   a:0.001〜0.010%を含有し、残部がFe及び不純物元素か
   らなる鋼を1060〜1100℃で焼入後、 500〜620 ℃にて焼
   もどしを施したことを特徴とする高温強度の優れた熱間
   工具鋼。